同向多轴水煤浆气化数值模拟研究
摘 要：为弥补现有水煤浆气流床气化技术的不足，研发了一种同向多轴煤气化装置，采用Aspen Plus建立了同向多轴水煤浆气化数值模拟模型，分析了水煤浆浓度、氧煤比和碳转化率对煤气化效果的影响。结果表明，随着氧煤比的增加，H2、CO、有效气含量均先增大后降低，气化温度逐渐升高，最佳氧煤比为0.61，此时有效气含量最大。随碳转化率的升高，CO和H2含量均增大，气化温度逐渐降低，对于气化炉而言，提高碳转化率可增加有效气含量。水煤浆浓度分别为60%、62%和65%时，有效气(干基)含量分别为81.3%、82.5%和84.2%，水煤浆浓度每提高1%，有效气含量增加约0.6%。
关键词：水煤浆气化;Aspen Plus;数值模拟;氧煤比;碳转化率
0 引 言
煤气化技术是现代煤化工的基础，也是煤化工产业链的龙头技术[1-2]。目前，国内煤气化技术众多，其中气流床气化是大型煤气化技术的主流，正向着规模化和大型化方向发展。按照原料划分，气流床气化可分为水煤浆气化和煤粉气化。据统计，在已投产和在建的300多台气流床气化炉中，水煤浆气化炉所占比例超过70%，水煤浆气化以德士古气化技术和多喷嘴对置气化技术最具代表性[3]。于遵宏等[4]研究了德士古气化炉停留时间分布情况，结果表明，德士古气化炉基本趋于全混流，约50%物料在平均停留时间之前即离开炉膛，且不到1 s便有物料逸出炉外，存在“逃逸”现象。针对德士古气化炉的缺点，华东理工大学开发了多喷嘴对置气化技术，该技术的特点是根据撞击流理论，水平布置于气化炉上部的烧嘴向炉内喷入4股流体，通过流体相互撞击来提高气固两相间的传质速度，加强流体间的混合，进而提高化学反应速率[5]。采用多个喷嘴喷射物流形成对撞可以有效解决德士古气化炉出现的“逃逸”现象，提高碳转化率和有效气比例，但工业运行结果表明，由于水平撞击流的存在，多喷嘴对置气化炉顶部的耐火砖相对更容易损坏，出现烧炉顶问题[6]。纵观现有的水煤浆气流床气化技术，气化炉在设计上既要确保反应物有足够的停留时间，并形成良好的流场结构，为煤气化创造有利条件，又要具有对负荷的良好调节能力。为弥补现有水煤浆气流床气化技术的不足，文献[7]公开了一种同向多轴煤气化装置技术，具有气化效率高、负荷调节余地大、流场分布均匀等特点。气化炉有效气组成及影响因素是水煤浆气化技术研究的热点，研究表明，氧煤比、气化温度、水煤浆浓度等因素均对气化结果产生重要影响[8]。随着计算机技术的快速发展，利用流程模拟软件可实现煤气化工艺的全过程模拟，减少大量中间试验，进而获得试验条件下难以获取的参数及信息，同时可利用已有的理论成果低成本、无风险地对煤气化的复杂过程进行优化研究，寻找最佳操作点，提高整个过程的效率[9-10]。目前，数值模拟已成为研究水煤浆气化的重要手段，但主要集中于德士古气化炉和多喷嘴对置气化炉，尚缺乏同向多轴气化技术研究。鉴于此，笔者采用Aspen Plus软件建立同向多轴煤气化模型，研究了水煤浆浓度、氧煤比和碳转化率对煤气化效果的影响，为实际工业操作提供指导和建议。
1 同向多轴水煤浆气化技术及模型建立
1.1 同向多轴水煤浆气化过程
同向多轴水煤浆气化炉结构如图1所示。3个烧嘴沿圆周方向均匀布置于气化炉顶部，3股流体分别沿3个不同的烧嘴喷入炉内，烧嘴均指向气化炉下部的同一点K，具体流程见文献[7]。3股射流形成3个互相卷吸的火焰流，将其周围的流体卷吸带向下游，射流宽度随之不断扩展，卷吸的过程中伴随着相间的传热传质，最后在气化炉底部区域发生碰撞，进一步增加该区域的湍动强度，加强流体间的混合，进而提高化学反应速率，强化二次反应效果。3个喷嘴的雾化效果要优于单个喷嘴，且避免了单喷嘴中心布置时可能出现“逃逸”的问题。
图1 同向多轴水煤浆气化炉结构示意
Fig.1 Structure schematic drawing of coal water slurry gasifier with synclastic multi-jet
1.2 数值模拟模型建立
由于Aspen Plus可进行包括简单和复杂工艺过程的稳态过程模拟，目前已成为模拟煤化工、发电工程和其他工艺过程的有力工具，因而被广泛应用于上述领域内的流程设计和模拟。煤气化数值模拟过程一般有2种模型方法，即化学动力学模型和反应平衡模型。反应平衡模型以反应热力学为基础，由于不考虑气化炉的流动传热、传质特性以及气化反应的过程，因此相对简单且通用性好。建立的同向多轴水煤浆气化模型如图2所示。通过对煤气化过程分析并结合Aspen Plus软件特点，将煤气化过程理想地分为煤的裂解和煤的缺氧燃烧气化2个过程，气化所用煤种煤质分析见表1。
图2 同向多轴水煤浆气化模型
Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification with synclastic multi-jet
煤的裂解过程利用Decomp模块模拟，Decomp模块是一个仅计算收率的简单反应器，其作用在于将非常规组分煤分解为C、H2、N2等物质，裂解生成的物质与水、O2在吉布斯反应器内发生缺氧燃烧气化，该过程考虑碳转化率。裂解反应过程产生的热量传递给吉布斯反应器，散热损失热流代表气化过程的热损失，本文取0.5%。
表1 气化用煤的煤质分析
Table 1 Quality analysis of gasification coal
1.3 数值模拟模型的验证
为验证同向多轴水煤浆气化模型，数值模拟结果与试验数据对比见表2。
表2 同向多轴水煤浆气化数值模拟结果与试验数据对比
Table 2 Comparison between simulation and experimental results of coal water slurry gasification with synclastic multi-jet
由表2可知，模拟计算结果与实际运行测量参数吻合较好，说明本文采用的模型以及相关参数的设置较为合理，可以确保模拟结果的准确性。
2 数值模拟结果与分析
2.1 氧煤比对气体组分和气化温度的影响
在投煤量2 000 t/d，气化压力4 MPa，水煤浆浓度60%，碳转化率98%，热损失0.5%的条件下，改变氧煤比，即保持水煤浆的流量和浓度不变，通过改变O2流量，计算不同氧煤比下的气化结果，如图3所示。水煤浆气化氧碳比(O/C)通常为0.9～1.0[11-13]，考虑到水煤浆煤种的差异性，取煤中碳含量0.60～0.75，适当扩宽数值模拟操作范围，因此折合成水煤浆氧煤比取值为0.5～0.7。
图3 氧煤比对气体组分和气化温度的影响
Fig.3 Influence of oxygen-coal ratio on the gas composition and gasification temperature
由图3可知，随着氧煤比的增加，H2含量先升高后降低，CO含量持续升高，氧煤比增至0.68时，CO含量达到最大，继续增大氧煤比，CO含量略有下降。由于H2减少量较大，有效气成分(CO+H2)随着氧煤比的增加先增大后降低。气化温度随着氧煤比的增加而升高。这是由于氧煤比提高，反应强度增加，促使气化炉内温度升高，温度升高使水煤气反应加剧，产生更多的CO和H2，同时O2流量增加，CO和H2燃烧，因此H2含量逐渐减少。虽然氧煤比的增加能提高气化炉反应温度，促进气化反应，但氧煤比过大会使有效气体产率下降，因此试验确定最佳氧煤比为0.61，此时气化炉产出的有效气含量最大。
2.2 碳转化率对气体组分和气化温度的影响
气化压力4 MPa，水煤浆浓度60%，氧煤比0.61，热损失0.5%的条件下，研究碳转化率对气化结果的影响，结果如图4所示。
图4 碳转化率对气体组分和气化温度的影响
Fig.4 Influence of carbon conversion ratio on gas composition and gasification temperature
由图4可知，随着碳转化率的增大，CO和H2含量均逐渐增加，即有效气含量增大，气化温度逐渐降低。这是由于碳转化率提高，而O2流量不变时，更多的碳参与气化反应进而生成CO和H2，碳的气化反应属于吸热反应，需要消耗热量，因此气化温度随着碳转化率的提高而逐渐降低。在实际生产过程中，碳转化率越高，煤的利用率也越高，因此气化后生成的有效气含量也就越高。
2.3 水煤浆浓度对有效气含量的影响
水煤浆气化中除小部分水参与化学反应外，大部分水在气化炉中将以过热蒸汽的形式存在，蒸发过程中所需要的热量由煤完全燃烧提供。煤完全燃烧提供热量的同时，产生CO2和H2O等大量无效气体，增加了比氧耗和比煤耗。因此，水煤浆浓度对有效气组分和单位煤的产气率起着决定性作用，提高并稳定水煤浆浓度有利于提高气化效率和有效气含量。投煤量2 000 t/d，气化温度1 380 ℃，压力4 MPa的条件下，水煤浆浓度分别为60%、62%和65%时，有效气含量分别达到81.3%、82.5%和84.2%，水煤浆浓度每提高1%，有效气含量增加约0.6%。随着水煤浆浓度的增加，有效气比例逐渐增大，这是由于当水煤浆浓度提高时，进入气化炉的水分相应减少，进而减少了水分的吸热量。温度不变时，将减少用于燃烧升温的耗煤量，而减少的这部分耗煤量将转化为有效气。
3 结 论
1)投煤量2 000 t/d，气化压力4 MPa，水煤浆浓度60%，碳转化率98%，热损失0.5%的条件下，随着氧煤比的增加，H2、CO和有效气含量均先增大后降低，气化温度逐渐升高，试验确定最佳氧煤比为0.61，此时有效气含量最大。
2)气化压力4 MPa，水煤浆浓度60%，氧煤比为0.61，热损失0.5%的条件下，随着碳转化率的提高，CO和H2含量均增大，即有效气含量增加，而气化温度下降，说明对于气化炉而言，提高碳转化率可有效增加有效气含量。
3)水煤浆浓度分别为60%、62%和65%时，有效气含量分别为81.3%、82.5%和84.2%，表明提高水煤浆浓度能够增加有效气含量，水煤浆浓度每提高1%，有效气含量增加约0.6%。
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Numerical simulation of coal water slurry gasification with synclastic multi-jet
Abstract:In order to cover the shortage of current coal water slurry (CWS) fluidized bed gasification technology,a coal gasification technology with synclastic multi-jet was developed.A numerical simulation model was built using Aspen Plus.The influence of CWS concentration,oxygen-coal ratio and carbon conversion ratio on coal gasification effects was analyzed.The results indicated that with the increase of oxygen-coal ratio,H2,CO and useful gas increased first,then decreased.With the rise of gasification temperature,the content of useful gas reached the maximum when the oxygen-coal ratio was 0.61.With the increase of carbon conversion ratio,the content of H2,CO and useful gas increased and the gasification temperature lowered gradually.The percentages of effective gas(dry) could reach to 81.3%,82.5% and 84.2% when the CWS concentration was 60%,62% and 65% respectively.The percentage of useful gas increased about 0.6% while the CWS concentration increased 1%.
Key words:coal water slurry gasfication;Aspen Plus;numerical simulation;oxygen-coal ratio;carbon conversion ratio
中图分类号：TQ546
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)05-0031-04
收稿日期：2016-03-17;责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.05.006
基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2015DFR60630);科研院所技术开发研究专项资金资助项目(2011EG222214，2012EG222205)
引用格式：李发林.同向多轴水煤浆气化数值模拟研究[J].洁净煤技术，2016，22(5)：31-34.
LI Falin.Numerical simulation of coal water slurry gasification with synclastic multi-jet[J].Clean Coal Technology，2016，22(5)：31-34.
